林萬旭,韓鵬輝,王琳琳,孫 斌

(1.西北水利水電工程有限責(zé)任公司，西安 710065；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；3.西安文理學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機工程學(xué)院,西安 710065)

1 工程概述

黃河上游某水電站位于青海省海南州興?？h與同德縣交界處的黃河峽谷內(nèi)，是以發(fā)電為主的特大型水電工程，樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、右岸放水洞、壩后消力塘、左岸泄洪洞及左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。最大壩高257.5 m，水庫總庫容44.74×108m3，電站裝機容量2 600 萬kW。

工程可研階段采用全年土石圍堰擋水、左岸一條低導(dǎo)流洞與尾水洞結(jié)合+左岸高導(dǎo)流洞與豎井旋流泄洪洞結(jié)合的施工導(dǎo)流方案，其初期導(dǎo)流由全年土石圍堰擋水，左岸低導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流；中期大壩度汛由壩體臨時斷面擋水，左岸低導(dǎo)流隧洞泄流；后期低(導(dǎo)流洞下閘后)導(dǎo)流洞堵頭施工期由二期面板以下壩體擋水、左岸旋流導(dǎo)流洞與放水洞聯(lián)合泄流，左岸旋流導(dǎo)流洞下閘后由二期面板以下壩體擋水、右岸放水洞泄流。

工程圍堰使用年限為3 a，按初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)4項指標(biāo)確定導(dǎo)流建筑物級別為3級，土石類圍堰相應(yīng)的初期導(dǎo)流洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50～20 a，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇從水文氣象條件、技術(shù)經(jīng)濟比較、工程類比等方面進行了綜合分析與比較，同步進行了初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險度分析，本文簡要介紹工程初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險度分析。

2 施工導(dǎo)流系統(tǒng)動態(tài)綜合風(fēng)險

施工導(dǎo)流貫穿于整個工程施工的全過程，它對工程的總投資、施工進度及整個工程如何安全、可靠、合理地實施有著十分重要的影響[1]。作為控制施工期河道水流的臨時性建筑物，可能遭遇的洪水是隨機事件，不論選擇何種導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，都存在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的可能性，因此，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇其本質(zhì)是風(fēng)險決策問題，可用風(fēng)險分析的方法予以解決[2]。

2.1 導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險率

對于土石類圍堰，在導(dǎo)流時段內(nèi)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，由于超過導(dǎo)流泄水建筑物泄流能力而使堰前水位超過堰頂，導(dǎo)致圍堰失事，導(dǎo)流系統(tǒng)不能發(fā)揮作用[3]。因此，導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險也就是圍堰施工及使用期內(nèi)堰前水位超過堰頂高程的可能性，即為導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險率[4]。圍堰的堰前水位超過圍堰設(shè)計擋水位的風(fēng)險率R為：

R=P(Zup≥Hupcoffer)

(1)

式中：Zup為上游圍堰堰前水位；Hupcoffer為上游圍堰設(shè)計擋水位。

當(dāng)量洪水重現(xiàn)期為：

Te=1/R

(2)

2.2 導(dǎo)流系統(tǒng)動態(tài)綜合風(fēng)險率

根據(jù)工程導(dǎo)流設(shè)計資料，考慮水文、水力等不確定性因素影響，采用Monte-Carlo方法模擬施工洪水過程和導(dǎo)流建筑物泄流，統(tǒng)計分析確定圍堰上游水位分布和圍堰的擋水高度對應(yīng)的風(fēng)險[3]。在圍堰的使用運行年限內(nèi)，n年內(nèi)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水的動態(tài)綜合風(fēng)險率R(n)為：

R(n)=1-(1-R)n

(3)

式中：R(n)為n年內(nèi)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水的動態(tài)綜合風(fēng)險率；R為堰前水位超過圍堰設(shè)計擋水位的風(fēng)險率[5]。

3 初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)決策目標(biāo)及目標(biāo)值的計算方法

動態(tài)綜合風(fēng)險率隨導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)提高而降低，但動態(tài)綜合風(fēng)險率不能給決策者提供選擇多大的風(fēng)險度最值得及有無所選風(fēng)險度的承受能力，即沒決策目標(biāo)值。為此本文以經(jīng)濟因素(備選方案的導(dǎo)流工程預(yù)期總費用E)為決策目標(biāo)進行單目標(biāo)風(fēng)險分析，其原則是選取在風(fēng)險發(fā)生后對工程造成的期望損失費用D與導(dǎo)流工程投資費用C之和最小的方案為最優(yōu)方案。

3.1 風(fēng)險假定

施工導(dǎo)流過程中涉及到的風(fēng)險主要有洪水風(fēng)險、泄流風(fēng)險、結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險和工期風(fēng)險[6]。根據(jù)中國水電工程經(jīng)驗，導(dǎo)流工程遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致潰堰造成損失的風(fēng)險比較大，據(jù)此本文僅考慮遭遇超標(biāo)洪水時導(dǎo)流建筑物的風(fēng)險。

工程圍堰擋水度汛3個汛期，圍堰的風(fēng)險期為3 a，各年遭遇超標(biāo)洪水潰堰工況組合及相應(yīng)發(fā)生概率計算式見表1。

表1圍堰工程遭遇超標(biāo)洪水的工況組合及相應(yīng)概率計算式表

注：√代表潰堰；○代表運行正常；R1、R2、R3代表圍堰每年遭遇超標(biāo)洪水的概率。

3.2 概率計算

利用概率的并集計算公式、動態(tài)綜合率風(fēng)險公式組成聯(lián)合方程組求解表1各工況圍堰每年遭遇超標(biāo)洪水的概率[7]，假設(shè)P(R1)=R1，P(R2)=R2，P(R3)=R3，具體方程組如下：

R(1)=1-(1-R)1=R=R1

(4)

R(2)=1-(1-R)2=2R-R2

(5)

R(3)=1-(1-R)3=R3-3R2+3R

(6)

(7)

(8)

求解上述方程組可得R1=R2=R3=R，由此可求得表1中的概率P。

3.3 決策目標(biāo)值的計算方法

初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險分析以備選方案導(dǎo)流工程預(yù)期總費用為決策目標(biāo)值[8]，以決策目標(biāo)值最小者為優(yōu)選方案，預(yù)期總費用包括導(dǎo)流工程投資費用和期望損失費用(遭遇超標(biāo)洪水時潰堰造成的各項損失費用之和)[9]。

導(dǎo)流工程的預(yù)期總費用E計算式：

E=C+Cp

(9)

式中：E為導(dǎo)流工程的預(yù)期總費用；C為確定型投資費用，包括擋水、泄水建筑物及基坑的抽排水費用等；Cp為期望損失費用。

期望損失費用Cp為潰堰造成的各項損失，其計算式為：

Cp=Cp1+Cp2+Cp3+Cp4+Cp5

(10)

式中：Cp1為修復(fù)上、下游圍堰的費用；Cp2為基坑再次抽排水的費用；Cp3為基坑清淤的費用；Cp4為工期延遲導(dǎo)致的發(fā)電損失費用；Cp5為其它損失費用。

4 風(fēng)險分析過程

4.1 備選導(dǎo)流方案及潰堰風(fēng)險損失費用

初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇方案以洪水重現(xiàn)期分別為50年、30年、20年一遇3個標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)方案作為備選方案，根據(jù)導(dǎo)流建筑物布置、施工條件及圍堰度汛要求，并經(jīng)圍堰施工強度分析論證，以圍堰最大高度不超過70 m確定3個標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)導(dǎo)流工程規(guī)模。3個標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)導(dǎo)流工程特性見表2。

表2 3個導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)方案特性表

根據(jù)圍堰的動態(tài)綜合風(fēng)險率，利用概率數(shù)對不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的期望損失費用進行計算，計算結(jié)果分別見表3～5。

4.2 初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)以上計算成果，列出50年、30年、20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)導(dǎo)流工程預(yù)期總費用工程對比表，詳見表6。由表6可知，就初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)以經(jīng)濟因素為目標(biāo)進行風(fēng)險決策，采用30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時損失期望值最小，故為推薦導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然風(fēng)險分析僅是初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇的一項決策目標(biāo)，鑒于本項目導(dǎo)流工程技術(shù)復(fù)雜，初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇同時從水文氣象條件、技術(shù)經(jīng)濟比較、工程類比等方面進行了研究分析，經(jīng)綜合研究推薦初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇。

表3 50年洪水重現(xiàn)期的期望損失費用計算成果表

表4 30年洪水重現(xiàn)期的期望損失費用計算成果表

表5 20年洪水重現(xiàn)期的期望損失費用計算表

表6 不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)流工程預(yù)期總費用E表

5 結(jié) 語

水電工程施工導(dǎo)流建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇的本質(zhì)是風(fēng)險決策問題，可用風(fēng)險分析的方法予以解決。據(jù)DL/T5397-2007《水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定選定的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)只能定性地說明“標(biāo)準(zhǔn)、費用、風(fēng)險”三者的關(guān)系，但不能給決策者提供明確的決策目標(biāo)值。而通過風(fēng)險分析，應(yīng)用風(fēng)險分析理論，能科學(xué)地找出“標(biāo)準(zhǔn)、費用、風(fēng)險”三者的定量關(guān)系，有效地判斷所選設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的合理性，可為初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇提供決策依據(jù)。采用風(fēng)險分析方法使初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇更科學(xué)化與合理化。本文公式推導(dǎo)成果及風(fēng)險分析方法在大、中型水電工程中值得推廣應(yīng)用。